• Hlavní menu

27.01.2009 | autor: Forest

Počátky DC výpočtů

Na konci padesátých let minulého století vznikl projekt SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence), který postupně zahrnoval spoustu projektů pro vyhledávání mimozemských civilizací ve vesmíru dostupnou technikou. Po odchodu NASA v roce 1993 ztratil projekt obrovské finanční prostředky a musel se vydat cestou úspor. Předcházející rádiové SETI výzkumy používaly speciální, za tím účelem navržené, superpočítače umístěné přímo v teleskopu které prováděly převážnou část celé analýzy dat. Jejich výkon byl sice obrovský, ale nedostačující. Proto se rozhodli využít do té doby málo využívaných distribuovaných výpočtů.

David Gedye s Craigem Kasnoffem v roce 1995 navrhli, aby se rádiový výzkum SETI prováděl na virtuálním superpočítači, který by byl složen z velkého množství individuálních počítačů připojených na Internet, a zorganizovali tak projekt SETI@Home, který si dal za cíl tento nápad prozkoumat. Tito dva počítačoví vědci ze Seattlu přišli s geniálním řešením pomocí již zmiňovaných distribuovaných výpočtů, které do té doby fungovaly pouze jako práce přeposílaná prostřednictvím e-mailu. Namísto jednoho drahého superpočítače, který by běžel dlouhou dobu, chtěli využít tisíce běžných počítačů, které by pracovaly jen krátký časový úsek. Jejich představou bylo využít obrovské popularity projektů SETI mezi širokou veřejností. Lidé po celém světě by pak měli možnost stáhnout si prostřednictvím sítě Internet analyzující program na své osobní počítače, přičemž program by po instalaci a následném spuštění nikterak nezasahoval do běžné práce a běžel by pouze po určitý čas. Jakmile by přijatá data byla zpracována, program by je odeslal zpátky na centrální server a stáhl by si další data ke zpracování. Trvalo ovšem téměř 5 let než se za pomoci Planetární společnosti podařilo tuto geniální myšlenku uvést do praxe. V roce 1996 sestavili David Gedye s Craigem Kasnoffem svůj vlastní projektový tým a představili vědecký plán, který byl přijat akademickou obcí na 5. mezinárodní konferenci bioastronomie v červenci 1996 v italském Capri. V následujícím roce 1997 projektový tým dokončil prototypy klientského a serverového software a kódu analyzujícího přijatá data. Rok 1998 byl prakticky celý věnován otestování a důkladnému ověření funkčnosti celého systému. Na jaře 1998 se Planetární Společnost stala hlavním finančním sponzorem projektu SETI@Home, který již byl pod vedením Davida Andersona a Dana Werthimera.

Začátkem září 1998 začal pracovat systém přijímající, ukládající a distribuující data a byla také dokončena finální verze klientského software, která již mohla být nasazena k veřejnému použití. Počátkem roku 1999, zhruba do dubna, byla otestována a odladěna finální verze klientského software a ke spuštění byly připraveny i internetové stránky projektu. Ke spuštění projektu SETI@Home došlo přesně 17. května 1999 a tento den se zapsal do historie SETI zlatým písmem. Během pár měsíců se do projektu zapojily statisíce lidí po celém světě a již v srpnu roku 1999, tedy po pouhých 3 měsících fungování, projekt SETI@Home měl přes 1 milion uživatelů. Počátky byly sice trošku krkolomné, protože datové servery nestačily reagovat na takové množství požadavků, ale postupem času se za velkého úsilí podařilo většinu technických problémů odstranit. Po roce fungování projekt SETI@Home pokořil další metu, kterou byl celkový počet dva miliony uživatelů, z čehož aktivních jich bylo přibližně půl milionu. Mezi aktivní uživatele se počítali účastníci, kteří za poslední měsíc odeslali alespoň 1 zpracovaný datový balíček. Začal náročný úkol třídění více než 1.4 bilionu potenciálních signálů z databáze, eliminace veškerého rádiového rušení, vyhledávání chyb při zpracování a nalezení opakujících se signálů. Projekt se dále rozšiřoval na základě vzrůstajícího zájmu po celém světě. Do původního projektu SETI@Home, označovaného nyní jako Classic, se zapojilo více než 5 milionů uživatelů ze všech možných koutů světa.

Radioteleskop v Arecibě, prostřednictvím kterého provádí své výzkumy projekt Seti@home
Zdroj: http://setiathome.berkeley.edu/

Prvním spuštěným projektem, který se uměl sám starat o stahování a odesílání práce, byl projekt distributed.net. Vedení projektu se nechalo inspirovat představenou myšlenkou na vytvoření virtuálního superpočítače vytvořeného z běžných počítačů připojených na internet a dokonce ještě dříve než samotný projekt Seti@Home vydalo počátkem roku 1997 vlastního klienta pro distribuované výpočty. Projekt se zabývá matematickými výpočty na základě Golomb Ruler a lámáním šifer hrubou silou. Golomb Ruler je matematický termín, v češtině známý jako Golombovo pravítko. Je to pravítko, na kterém jsou rysky rozloženy tak, aby se každá vzdálenost kterékoliv dvojice rysek vyskytovala jen jednou. Pro každý počet rysek lze sestrojit nekonečný počet pravítek, ale ne každé z nich je optimální, t.j. nejkratší (Optimal Golomb Ruler = O.G.R.). Bohužel, složitost hledání OGR roste s počtem rysek exponenciálně. Dr. Solomon W. Golomb, po kterém se pravítko nazývá, je profesorem matematiky na Univerzitě Jižní Caroliny se zaměřením na kombinatorickou analýzu, teorii čísel, teorii kódů a komunikací. Vypočtené hodnoty pro OGR mají velké využití v praxi, například pro optimální umístění senzorů v roentgenové krystalografii nebo rozložení antén v radioastronomii atd.. Významnou roli hrají i v kombinatorice, teorii kódování a komunikaci. Dr. Golomb byl první, který problém popsal a analyzoval jeho využití v uvedených oblastech.

Druhým ze spuštěných DC projektů byl v polovině roku 1997 GIMPS (Great Internet Mersenne Prime Search), který se zabývá hledáním Mersennových prvočísel. Mersennovým prvočíslem je celočíselná mocnina 2 zmenšená o jedničku. Zatím Mersennových prvočísel známe 46, kdy poslední, o délce více než 12 milionů číslic, bylo objeveno 6.9.2008. Dosud se pomocí tohoto projektu podařilo objevit 11 Mersennových prvočísel. Mersennova prvočísla se používají především v asymetrickém systému RSA a kryptografii pomocí eliptických křivek ECC.

Dalším spuštěným distribuovaným projektem v řadě byl Folding@Home. Projekt Folding@Home patří i v současnosti mezi nejznámější, nejdůležitější a také nejvýkonnější vědecké projekty distribuovaných výpočtů. Výzkumy probíhají v oblasti biologie, konkrétně struktury bílkovin. Tento projekt slouží k nalezení léků na Alzheimerovu a Parkinsonovu chorobu, některé druhy rakoviny a lidskou formu BSE – nemoci šílených krav. Výzkum je zaměřen na tvorbu a rozpad bílkovin na základě mRNA, což je jednovláknová nukleová kyselina vznikající při transkripci DNA. I sebemenší odchylky ve stavbě bílkoviny mohou vést ke vzniku některého z jmenovaných závažných onemocnění. Výraz Folding by se do češtiny dal přeložit jako skládání či sdružovaní a tedy vystihuje podstatu projektu, kterou je konkrétní uspořádání bílkovin v prostoru. Bílkoviny, které se skládají z aminokyselin, jsou základním stavebním kamenem života.
V našich tělech představují základní složky kostí, svalů i vlasů a ve formě enzymů obstarávají většinu biochemických procesů. Aby mohly plnit svoji funkci, bílkoviny nemohou existovat jako samostatné řetězce aminokyselin, ale musejí vytvořit specifické a komplexní tvary. Výpočty na molekulární úrovni jsou natolik složité, že řešení pomocí distribuovaných výpočtů bylo jasnou volbou. Projekt byl spuštěn 1. října 2000 pod vedením profesora Vijaye Pandeho a Mika Houstona a pod záštitou katedry chemie Stanfordské univerzity. Zpočátku byl podpořen také světovým gigantem - společností Google, která klienta Folding@Home zahrnula do svého nabízeného panelu nástrojů a výrazně tak pomohla jeho rozšíření do obecného povědomí.

Jak se zrodil BOINC

Projekt SETI@Home nestál pouze u zrodu samotných distribuovaných výpočtů, ale jeho popularita a obrovský úspěch daly prostor další geniální myšlence. Jednalo se o vytvoření stěžejní platformy, pomocí které by se dalo spojit více projektů založených na distribuovaných výpočtech. Tím by se ještě více rozšířilo zaměření distribuovaných výpočtů a daleko více lidí by bylo ochotno využít své osobní počítače k vědeckému přínosu. Ne každý totiž v pátrání po mimozemských civilizacích spatřuje potenciální přínos. Koncem minulého století začal David Gedye spolupracovat s Davidem P. Andersonem na vývoji software, který by podporoval projekty distribuovaných výpočtů z různých vědeckých oblastí. Původně svůj projekt nazývali „Big Science“ a zakoupili i stejnojmennou internetovou doménu. Z jejich projektu se poté stal BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing), vyvinutý na půdě Laboratoře vesmírných věd kalifornské univerzity v Berkeley a sdružující více projektů založených na distribuovaných výpočtech. Do Seti@Home/BOINC byla dne 14.května 2004 přenesena kompletní databáze všech členů a týmů z původního Seti@Home. Dne 22.6.2004 byl projekt Seti@Home Classic integrován do systému BOINC a jako první projekt tohoto systému byl spuštěn v ostré verzi. Postupně se do systému začala připojovat spousta projektů, a to již zaběhlých v oblasti DC, tak i zcela nových. Systém BOINC nabízí totiž i univerzální obsluhu a toto zjednodušení umožnilo spoustě malých projektů se do oblasti DC výpočtů připojit.

V současné době stále existuje několik samostatných projektů, ovšem zároveň máte možnost se zapojit do systému, pod kterým jich jsou již zapojené desítky, a tím je právě BOINC. Tyto výpočty probíhají jednoduchým způsobem. Stáhnete si program BOINC Manager, nainstalujete si jej do počítače, připojíte se do libovolného projektu, či si jich rovnou vyberete víc, případně se připojíte k některému týmu a to je prakticky vše. Princip projektů BOINC je zcela jednoduchý a jeho bezproblémová funkčnost je léty ověřena. Stačí mít alespoň občas z konkrétního počítače přístup na internet a po instalaci se řídit už jen pokyny, nebo některým z mnoha podrobných návodů, jako jsou návody např. na stránkách „Českého národního týmu“. Na těchto stránkách naleznete i podrobný popis jednotlivých projektů a spoustu užitečných informací. Program vás provede připojením k projektu, zaregistrujete se a o vše ostatní se již stará sám, prakticky bez nutnosti údržby a zcela bezpečně pro váš počítač.

Stejně jako samostatné DC projekty i všechny projekty pod systémem BOINC jedou pouze na nejnižší prioritě, a tak by neměly mít při správném nastavení žádný negativní dopad na běžný provoz počítače. Rovněž si lze nastavit, že výpočty budou probíhat pouze v době, kdy počítač nebude využíván, že se zastaví při provozu počítače na baterie, že budou v provozu pouze v nastaveném časovém období atd. . Jediné, na co je třeba si dát trochu pozor, je vhodný výběr projektu, a to jak vzhledem k rychlosti procesoru (aby se stačila práce dopočítat v termínu), tak rychlosti připojení na internet (některé projekty posílají velký objem dat) a také množství operační paměti vašeho počítače. Stačí se ale podívat do tabulky náročnosti jednotlivých projektů a vybrat si ten správný. Některým projektům stačí pouze 10MB, některým vyhovuje 100MB a více operační paměti. Tabulka je orientační, jelikož je zpracována pro konkrétní dvě sestavy a systém Windows 64-bit, ale pro představu náčnosti hodně pomůže. Rovněž lze ovládat nastavení a provoz výpočtů nadálku, prostřednictvím internetu.

Na jednom vašem počítači můžete být prostřednictvím BOINC zapojeni do libovolného projektu (nebo zároveň i více projektů) a že je opravdu z čeho vybírat. V systému naleznete projekty zaměřené na výzkum vesmíru, klimatu, počasí, seismické činnosti, hledání léků na zákeřné nemoci či matematické výpočty. Dále jsou tu projekty, které zkoumají nové technologie jako nanovlákna, termojadernou fůzi, auta s vodíkovým pohonem či umělou inteligenci. Najdete zde i některé hodně zajímavé projekty jako je hledání mimozemských civilizací, dekódování zašifrovaných zpráv z 2. světové války nebo různé herní variace. Nabídka je opravdu široká a kdo chce tímto způsobem v jakémkoliv odvětví pomoci, má bezesporu možnost širokého výběru.

Zobrazení komunikace v systému BOINC
Zdroj: http://boinc.berkeley.edu/

Distribuované výpočty - Úvod Proč se do výpočtů zapojit?